基于学习进阶理论的探究实验教学研究

郭庆

摘   要：学习进阶理论通过围绕某个核心概念的建构过程，来研究学生知识与能力的不同层级，并以过程中学生的具体学习表现反馈进行教学调整，以改变学生现有的思维模式。文章介绍了如何在探究实验教学过程中合理运用学习进阶理论，逐步提升学生的实验探究能力。

关键词：学习进阶;探究实验;大气压强

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）10-0021-4

学习进阶对教学产生了较大的促进作用，使其成为近年来教育领域研究的又一热点。作为一线教师，把握学习进阶的特点，关注学生的认知发展过程，从而提升学生的物理学习兴趣和实验探究能力，也成为了我们研究的重点。下文将从学习进阶及其理论研究、探究实验学习进阶教学研究的可行性与教学研究案例进行详细阐述。

1    学习进阶及其理论研究

美国国家教育委员会（NRC）于2007年对学习进阶的定位获得了更为广泛的认可：学习进阶描述的是学生在一定时间跨度内，对于某一主题、依次进阶、逐渐熟练和深化的思维方式，这些思维方式能在主题学习和探究过程中得到连续发展[1]。学习进阶理论认为，学生的思维发展过程具有“进阶”的特点，学生学习的过程就是思维从简单到复杂的连续发展的过程。这是一个长期的过程，需要经过不同的“阶”，“阶”代表了学生思维的不同水平，也是学生认知发展过程中的“脚踏点”，处在不同“阶”的学生的思维方式存在差异[2]。

由学习进阶的研究内容和研究重点不难发现，它与学习领域、课程领域、评价领域三大研究领域有着密切的关系[3]。学习进阶注重的是学生思维方式的提升方式，并不局限于内容层面的正确或错误，而是通过学生给出的答案或者外部行为表现反映出学生所处的知识能力层级。皮亚杰的“认知学习”理论、维果茨基的“最近发展区”理论、奥苏贝尔的“有意义学习”理论均为学习进阶提供了强有力的理论支撑。

在现阶段关于学习进阶的研究中，又多以研究其结构设计（如“结构中心设计法”）与评价系统（如“伯克利评价系统”）为主，在教学实践中又多以“核心概念”“物理建模”等方面为主，关于在“探究实验”教学方面加入学习进阶理论的研究较少，这也说明了对此项内容展开研究有更重要的意义。

2    探究实验学习进阶教学研究的可行性

物理是一门以实验为基础的自然科学，初中阶段学生初次接触物理，在实验教学中应注重学生的实验体验，在教学设计中要重视学生能够通过观察、操作、体验等方式经历实验探究的过程，能够从实验的探究过程中学会科学知识和科学探究方法。

学习进阶虽然理论逻辑清晰，但是过于抽象。如果将其运用到探究实验的教学中，能够发挥其特点，帮助学生更清晰、更有层次地设计实验项目，完成实验探究，从而达到思维和能力的稳步提升。而且在探究实验的学习进阶教学指导过程中，不同阶段需要学生具备的知识、动手能力的基础往往都是逐级递增的，甚至有的需要借助其他学科知识解决，这样还能促进学生不同学科知识的融合与拓展，最终形成个人的实验探究能力。下面将以“大气压强”内容的探究实验设计为例，对基于核心素养的探究实验学习进阶流程设计进行详细说明。（“大气压强”探究实验学习进阶流程图如图1）

3    基于物理核心素养的探究实验学习进阶教学设计环节展示

3.1    “大气压强”的进阶分析

3.1.1    进阶目标分析

参照《义务教育物理课程标准》对本部分的要求，本节将探究实验进阶目标设置为：1.体会大气压强存在的实验项目;2.进行大气压强数值测量的实验项目;3.解释与大气压强知识相关的实验原理。

3.1.2    进阶起点分析

“大气压强”是在学生学习了压强和液体压强内容之后的一节内容，是学生对实验法与类比学习法再次强化的内容，也是学生运用所学压强知识解决实际生活中存在的一些问题的重要载体。学生经过前期的探究实验学习，已经具备了基本的实验探究能力，有一定的数据分析能力。但由于学生还处在形象思维的阶段，无法将实验内容与理论知识进行联系分析。因此，教师可以设定以实验为主题的物理情境来统一进阶起点，然后展开以演示实验、分组探究等多种方式结合的实验教学。

3.1.3    进阶层級分析

结合教材的内容编排、学习进阶的理论以及探究实验教学的基本步骤，将“大气压强”的进阶层级分为五个层面：

（1）节点一：通过实验体会大气压强的存在，明确生活中存在大气压强;

（2）节点二：分组实验，感受大气压强的大小;

（3）节点三：分组实验，测量大气压强的数值;

（4）节点四：补充实验，理论分析实验过程中误差产生的原因;

（5）节点五：利用实验项目，解释生活中与大气压强相关的知识，了解大气压强的应用实例，达到进阶目标。

3.2    基于核心素养的“大气压强”学习进阶教学过程

3.2.1    前测

设计说明：设置诊断性问题，以选择、填空的方式，在课前了解学生关于压强、固体压强知识的基本掌握情况，为后续教学中的类比法做好铺垫。以简答题的形式，通过茶壶是否有孔、打气筒的结构等内容，了解学生的常识储备，以便设置更合适的进阶起点，同时也可以吸引大多数学生积极观察，能够为新课开展做好基本铺垫。

3.2.2    统一进阶起点和实验起点

创设情境：如果不用嘴吹，你能用哪些工具将一个气球吹大？能否用一个塑料瓶就吹大一个气球？（实验引入装置如图2）

设计说明：既能以这个简单的实验激发学生的兴趣，也可以让学生通过这个实验现象分析出气体也能产生压强的结论，将进阶起点和实验起点统一起来，帮助学生联系理论知识和实验现象。

3.2.3    探究实验进阶过程一：分组实验，引发思考

学生进行简单的分组实验，说明大气压强的存在，发挥实验在帮助学生感知“物理观念”方面的作用。

教师演示实验：空玻璃瓶口放置纸片。

学生分组探究实验：玻璃瓶装满水，瓶口放置小纸片，并向各个方向旋转玻璃瓶（图3）。

设计说明：通过教师演示，学生知道纸片与玻璃瓶之间并无相互吸引的力。而通过分组探究实验，学生能够分析得到纸片之所以没有掉落是因为有一个“托力”存在，而产生这个力的是空气，从而能够引出大气压强的概念。

3.2.4    探究实验进阶过程二：实验感受，体会现象

学生通过自制教具——模拟马德堡半球实验（图4）和吸盘对拉实验（图5），感受大气压强的数值较大，这也成为了粗测大气压强探究实验的起点。

学生分组进行实验：1.两位学生通过对拉自制教具，感受大气压强;2.其余学生通过将两个相同吸盘对扣排气，然后用力拉动，感受大气压强。

设计说明：采用模拟马德堡半球实验，让学生真实感受大气压强的存在，让学生有了切身体会，才能进一步加深他们对知识的掌握程度。根据实验现象思考分析出大气压强的作用效果，同时也能得到大气压强数值很大的感性认知。这是对上一阶中大气压强存在的进一步认知，也是后一阶测量大气压强数值的起点。这个设计同时还能体现出对学生实验探究和科学思维两个方面物理核心素养的培养。

3.2.5    探究实验进阶过程三：实验探究，把握过程

教师通过回顾压强的基本计算方法，引导学生推导大气压强测量的基本原理，同时通过前一阶段实验现象的深入分析，得出需要小吸盘、刻度尺以及弹簧测力计等实验器材。

学生分组实验：学生拉动吸附在玻璃板上的小吸盘（图6），测量小吸盘刚被拉起来的拉力大小以及吸盘的直径，计算得到大气压强数值的大小。

设计说明：通过引导学生分析上一阶段吸盘实验的受力情况，得出刚好拉动吸盘时的拉力等于大气压强产生的压力大小，结合压强大小的计算，推理得出大气压强的实验原理。此阶段的设计也体现出了对学生科学思维方面的培养。学生通过实验测量得到大气压力和吸盘直径，在计算时也能对其数据处理能力进行针对训练。同时，不同小组实验得到的数据会有不同程度的误差，这也为后续对实验误差的深入分析做好了铺垫，成为下一阶段的起点。

3.2.6    探究实验进阶过程四：严谨实验，理论验证

视频演示实验：通过视频《托里拆利实验》进一步对实验测量大气压强数值大小进行学习。

设计说明：虽然此项实验在教学时无法亲自完成，但是可以采用视频的形式让学生了解托里拆利实验，让学生掌握如何准确测量大气压强的数值。同时，根据其数值和实验数据的对比，再深入分析哪些因素影响了实验结果。以严谨的科学态度对待实验结果，这也是对学生科学思维的培养。同时，这个内容往往也是考查的一個难点。

3.2.7    探究实验进阶过程五：应用拓展，提升素质

通过揭秘课前实验的装置结构（图7），引导学生分析其能够吹大气球的具体原因。同时，也结合生活中和大气压强相关的实例，让学生自主分析大气压强究竟是如何起到作用的。这对学生科学态度与责任的培养起到了重要作用。

目前，在我国科学教育研究领域关于学习进阶的研究已经吸引了更多的人参与其中。学习进阶将我们对学生的关注从一个时间点拉长到了一个更为系统的时间轴中，它要求教师要对教学有整体的规划和设计，要去关注学生在这段观测时间内的学习行为转变并及时调整教学内容。无疑这能够更有效地促进教师的专业素质。同时，从对学生思维和能力的培养上来说，这样一个纵向的研究过程，让我们要更多地研究学生每个阶段的认知、探究能力和各学科知识的储备情况，关注学生的学习表现并持续作出调整，这样更有利于设计更适应学生学习情况的教学。

但我们也应该注意到，西方科学教育界对于学习进阶的研究目前也仍然处于起步阶段，形成的成熟的学习进阶案例并不多。国内虽然已经有许多专家团队在学习进阶的研究领域开展了各具特色的研究，但还未形成系统的理论成果供一线教师参考，这要依靠更多的实践去充实此项研究（例如，北京师范大学的郭玉英教授团队关于学习进阶的研究，已有专著出版，且有多篇论文）。所以，我们在教学时可以借鉴一些优秀的课例、案例尝试教学改革，但不能一味地为了追求改革而忽视现有的教学模式。我们也相信在未来学习进阶研究的发展将取得更大的突破，在课程、教学和评价领域的改革中起到重要作用。

参考文献：

[1]姚建欣，郭玉英.为学生认知发展建模：学习进阶十年研究回顾及展望[J].教育学报，2014，10（5）：35-42.

[2]林绚钰.基于学习进阶的初中物理概念建构策略研究[J].中学物理教学参考，2019，48（14）：6-8.

[3]冯亚儒.基于物理建模的学习进阶指导教学——以平抛运动为例[J].教育实践与研究（B），2019（Z1）：116-119.

（栏目编辑    刘   荣）